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Die Erfindung betrifft eine Batteriesensoreinheit nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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Die 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Batteriesensoreinheit 1, wie sie häufig zum Überwachen eines Batteriezustands, beispielsweise in einem Fahrzeug, zum Einsatz kommt. Sie weist eine erste Befestigungseinrichtung 2, ein Widerstandselement 3, eine zweite Befestigungseinrichtung 4 und ein Gehäuse 5 sowie eine nicht dargestellte Auswerteelektronik auf.
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Die Batteriesensoreinheit 1 ist an eine nicht gezeigte Batterie eines Kraftfahrzeugs angeschlossen, um einerseits den Strom bzw. die Spannung der Batterie zu erfassen. Andererseits ist auch eine Erfassung der Temperatur möglich. Der Anschluss an die Batterie erfolgt über die erste Befestigungseinrichtung 2 in Form einer Polklemme, welche zu diesem Zweck hülsenartig mit einer Innenkontur ausgeformt ist, die zum Pol einer Batterie passt. Um einen festen Anschluss an den Pol zu gewährleisten, ist die erste Befestigungseinrichtung 2 so ausgebildet, dass sie mit Hilfe der Klemmschraube 21 angezogen werden kann. Dabei werden zwei Schenkel 22 der ersten Befestigungseinrichtung 2 mit Hilfe des Gewindes der Klemmschraube 21 zusammengezogen, was dazu führt, dass die Innenkontur der ersten Befestigungseinrichtung 2 fest am Pol der Batterie anliegt. Die erste Befestigungseinrichtung 2 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem kupferhaltigen elektrisch leitenden Material. Weitere Bestandteile des Materials könnten beispielsweise Eisen, Phosphor und/oder Zink sein.
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An die erste Befestigungseinrichtung 2 schließt sich über eine Schweißverbindung elektrisch leitend ein erstes Anschluss-stück 38 an, welches in der Darstellung durch das Gehäuse 5 verdeckt wird. Elektrisch in einer Reihe folgt das Wider-standselement 3, welches ebenfalls durch das Gehäuse 5 verdeckt wird. Es ist hinsichtlich seines Werkstoffs so ausgelegt, dass sein ohmscher Widerstand temperaturunabhängig mit sehr geringen Toleranzen präzise bestimmbar und über die Lebensdauer nahezu konstant ist.
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Die über dem Widerstandselement 3 abfallende Spannung wird an hier nicht gezeigten Messpunkten mit Hilfe elektrischer Leitungen der Auswerteelektronik erfasst und auf Grundlage des definierten ohmschen Widerstands in eine Stromstärke umge-rechnet.
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Mit dem Widerstandselement 3 ist über ein zweites Anschlussstück 39 die zweite Befestigungseinrichtung 4 elektrisch wie auch mechanisch in Reihe geschaltet. Er umfasst einen Schraubbolzen 41, über den die Batteriesensoreinheit 1 elektrisch mit Masse verbunden ist. Hierzu kann, hier nicht dargestellt, ein an das Chassis des Kraftfahrzeugs ange-schlossenes elektrisch leitendes Kabel verwendet werden. Statt des Schraubbolzens 41 wären auch andere Schnittstellen zum Anschluss an Masse denkbar.
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Für die Verbindung der genannten elektrisch in Reihe geschalteten Komponenten kommt beispielsweise jeweils eine Steckverbindung, eine Hartlötverbindung, eine Schweißverbindung oder eine integrierte Ausführung in Frage. Es wäre auch denkbar das erste und/oder das zweite Anschlussstück 38, 39 in der Anordnung auszulassen. Aufgrund unterschiedlicher Werkstoffe und vieler Komponenten fällt die beschriebene Batteriesensoreinheit 1 sehr raumgreifend, kompliziert bzw. sperrig aus. Bei Belastungen der zweiten Befestigungseinrichtung 4 liegt ein großer Hebelarm vor, der ungewünschte Verformungen oder die Zerstörung des Bauteils begünstigt. Aus diesem Grund ist ein Unterstützungselement 6 vorgesehen, welches die zweite Befestigungseinrichtung 4 mechanisch unterstützt. Dieses fängt einen Teil der auftretenden Kräfte ab und leitet sie über die erste Befestigungseinrichtung 2 ab. Damit es nicht zu verfälschten Messungen kommt, ist das Unterstützungselement 6 aus einem isolierenden Material, in diesem Fall Kunststoff, ausgebildet.
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Aus den somit eingeschränkten Grenzen der Materialauswahl ergibt sich der Nachteil einer geringen Festigkeit und Steifigkeit sowie einer geringen Temperaturverträglichkeit des Unterstützungselements 6. Zu den durch das Unterstützungselement 6 hervorgerufenen Nachteilen gehört außerdem die erhöhte räumliche Ausdehnung und Zahl der Komponenten sowie erhöhte Herstellungskosten und ein erhöhtes Gewicht der Batteriesensoreinheit 1.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Batteriesensoreinheit 1 bereitzustellen, die robust und kostengünstig ist und die genannten Nachteile beseitigt.
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Die Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung mittels einer Batteriesensoreinheit 1 gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 gelöst, bei der das Widerstandselement mehrere parallele Strompfade bildet bzw. aufweist.
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Unter parallelen Strompfaden wird hier bevorzugt verstanden, dass Strompfade, also zum Leiten elektrischen Stroms ausgebildete Pfade, die zumindest teilweise elektrisch voneinander getrennt verlaufen, im Sinne einer elektrischen Schaltung parallel geschaltet sind.
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Dies ermöglicht eine robuste mechanische Auslegung des Wi-derstandselements, ohne dabei einen für die präzise Erfassung eines Batteriestroms notwendigen ohmschen Widerstandswert zu unterschreiten oder auf kostenintensive Materialien und/oder Herstellungsverfahren zurückzugreifen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Wider-standselement mehrere Stege auf. Durch Stege lässt sich, verglichen mit einem Vollteil, unter Materialeinsparung eine gute Festigkeit erzielen. Darüber hinaus entspricht dies dem Prinzip eines kleinen Querschnitts zum Erreichen eines hohen ohmschen Widerstands.
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Vorzugsweise sind die Stege derart ausgebildet, dass sie jeweils einen Strompfad bilden. Somit werden die mechanisch ohnehin sinnvollen Stege auch elektrisch effizient genutzt.
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Vorzugsweise sind die Stege an die erste und zweite Befestigungseinrichtung angegliedert. Dadurch lässt sich der Hebelarm, beispielsweise bei Belastungen der zweiten Befestigungseinrichtung, kurz halten.
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Es ist bevorzugt, dass der ohmsche Widerstand des ersten Strompfades im Wesentlichen gleich dem ohmschen Widerstand des zweiten Strompfades ist. Eine symmetrische Strombelastung wird ermöglicht und die Handhabung, Herstellung und mechanische Auslegung der Batteriesensoreinheit vereinfacht sich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Stege symmetrisch angeordnet und/oder ausgebildet. Dies ist für die mechanische Belastbarkeit und die Herstellung vorteilhaft.
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In einer zusätzlichen vorteilhaften Ausführungsform sind die Stege bogenförmig ausgebildet. Dadurch wird deren Länge erhöht, was einen höheren ohmschen Widerstand bewirkt.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stege pfeilförmig und/oder wie die Seiten eines Dreiecks angeordnet. Dabei handelt es sich um eine kraftflussgerechte Ausgestaltung des Widerstandselements.
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Es ist bevorzugt, dass das Widerstandselement einen Mittelsteg mit einem Spalt umfasst.
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Vorteilhafterweise sind Messpunkte zwischen den äußersten Stegen insbesondere auf beiden Seiten des Spalts auf dem Mittelsteg angeordnet. So bekommen die Strompfade eine große Länge und damit einen ausreichend hohen zugeordneten Messwiderstand. Die Messpunkte können außerdem im Sinn der Kompaktheit an dem Spalt sehr eng beieinander liegen. Als zusätzlicher Vorteil wird eine mögliche Temperaturmessung an den Messpunkten durch diese Anordnung nicht durch die Erwärmung der durchgängigen Stege verfälscht, da dazwischen Luft liegt.
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Vorzugsweise ist das zweite Anschlussstück in das Wider-standselement integriert ausgebildet. Dies vereinfacht die Herstellung.
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Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform bei der die erste Befestigungseinrichtung, das Widerstandselement und die zweite Befestigungseinrichtung weitestgehend aus dem gleichen Material bestehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Auswerteelektronik dazu ausgebildet, an Messpunkten des Widerstandselements eine der Größen Spannung, Strom, Tem-peratur zu erfassen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Wider-standselement ein Material, dessen ohmscher Widerstand nahezu temperaturunabhängig und über die Lebensdauer nahezu konstant ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Batteriesensoreinheit Stanzteile, insbesondere gebogene Stanzteile und/oder Frästeile.
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In schematischer Form zeigen:
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2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriesensoreinheit in einer Außenansicht,
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3 den Aufbau des Widerstandselements gemäß der ersten Ausführungsform aus elektronischer Sicht,
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4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriesensoreinheit mit kompakter Ausführung der zweiten Befestigungseinrichtung in einer Draufsicht,
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5 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriesensoreinheit mit Dreieck-Design in einer Draufsicht.
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2 zeigt schematisch eine Außenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriesensoreinheit 1, umfassend eine erste Befestigungseinrichtung 2, ein Widerstandselement 3 und eine zweite Befestigungseinrichtung 4 sowie eine nicht dargestellte Auswerteelektronik.
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Die erste Befestigungseinrichtung 2 ist als Polklemme mit Klemmschraube 21 ausgebildet und in ihrer Funktion im We-sentlichen mit der eingangs beschriebenen und in 1 dargestellten identisch. Es kann jedoch auch jede andere Art einer ersten Befestigungseinrichtung 2, die zur Befestigung an einer Fahrzeugbatterie geeignet ist, verwendet werden.
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Das Widerstandselement 3 ist an einem Umfangsteilbereich der ersten Befestigungseinrichtung 2 integriert und einstückig mit diesem ausgebildet. Es sei darauf hingewiesen, dass hier auch eine Schweiß-, Hartlöt-, Schraub- oder Steckverbindung denkbar wäre. Das Widerstandselement 3 weist zwei Stege 31, 32 und zwei entsprechende Strompfade 31a, 32a auf, bzw. ist als Körper mit durchgängiger Öffnung ausgeführt, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass zwei getrennte längliche Verbindungen zwei Seiten des Widerstandselements 3, eine in Richtung der ersten Befestigungseinrichtung 2, die andere in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung 4, elektrisch und mechanisch miteinander verbinden. Die Verbindung bzw. die Stege 31, 32 sind dabei in ihrer Dicke so dimensioniert, dass sie den bei einem Batteriesensor 1 höchstens auftretenden Belastungen Stand halten können.
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Der ohmsche Widerstand des Widerstandselements 3 muss, um eine ausreichende Genauigkeit der Messung zu ermöglichen, einen bestimmten Mindestwert haben, was beispielsweise durch einen kleinen Widerstandsquerschnitt und/oder eine große Wider-standslänge erreicht werden kann. Die Stege 31, 32 sind daher bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebildet, so dass der ohmsche Widerstand in Folge der größeren Länge höher ist als bei einer geradlinigen Ausführung. Die Stege 31, 32 sorgen dabei nicht nur für einen ausreichend hohen Widerstandswert, sondern erhöhen auch die Festigkeit bzw. Robustheit des Widerstandselements 3 und damit der gesamten Batteriesensoreinheit 1. Im Wesentlichen folgt die Form des Widerstandselements 3 in allen drei Raumebenen einem symmetrischen Aufbau. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass ein unsymmetrischer Aufbau in jedem der Ausführungsbeispiele denkbar ist und dem Erfindungsgedanken nicht entgegensteht.
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In der Mitte der Öffnung verläuft ein Mittelsteg 35. Er ist durch einen Spalt 36 in zwei elektrisch und mechanisch getrennte Bereiche unterteilt. Anstelle einer mechanischen Trennung, also einer Isolierung durch Luft, wäre jedoch auch eine Trennung durch ein Isolierstück denkbar.
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Auf beiden Seiten des Mittelstegs 35 befinden sich Messpunkte 33a, 33b, 34a, 34b. An ihnen wird die Spannung über dem Widerstandselement 3 abgegriffen und in der Auswerteelektronik ausgewertet bzw. eine Stromstärke aus ihr berechnet. Durch die so positionierten Messpunkte 33a, 33b, 34a, 34b ist gewährleistet, dass an ihnen auch die Temperatur der Fahrzeugbatterie genau gemessen werden kann, da die Erwärmung des Widerstandselements 3 so nur wenig Einfluss auf die Temperaturmessung nehmen kann.
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Die zweite Befestigungseinrichtung 4 ist über einen Massesteg 42 in integrierter Form mit dem Widerstandselement 3 verbunden. Die zuvor genannten Verbindungsalternativen wären jedoch ebenfalls möglich. In Verlängerung des Mittelstegs 35 des Widerstandselements 3 umfasst die zweite Befestigungseinrichtung 4 einen Schraubbolzen 41 zum Anschluss der Batteriesensoreinheit 1 an Masse.
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Die erste Befestigungseinrichtung 2, das Widerstandselement 3 und die zweite Befestigungseinrichtung 4 bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Material. Eine Ausführung einzelner Komponenten aus einem anderen Material, beispielsweise Stege 31, 32 oder ein geamtes Widerstandselement 3 aus einem speziellen Widerstandsmaterial, fallen jedoch ebenfalls unter den Erfindungsgedanken. Obwohl die Batteriesensoreinheit dieses Ausführungsbeispiels als Frästeil ausgebildet ist, ist auch eine Schmiede-, Stanz- oder Stanz-Biege-Lösung denkbar.
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Der in 3 gezeigte Ausschnitt eines elektrischen Schaltplans verdeutlicht bei der ersten Ausführungsform aus 1 die parallele Anordnung des Widerstands R1, der dem Steg 31 zugeordnet ist und des Widerstands R2, der dem Steg 32 zugeordnet ist. Entsprechend lassen sich die Strompfade 31a, 32a unterscheiden. Aufgrund dieser Parallelschaltung 7 der Strompfade 31a, 32a ergibt sich mit dem Gesamtstrom I für die Stromstärken I1 = R1/R1 + R2·I und I2 = R2/R1 + R2·I. Da in dieser Ausführungsform beide Stege 31, 32 aus dem gleichen Material bestehen und die gleiche Form aufweisen gilt für die Widerstände R1 = R2, so dass I1 = I2 = 1/2·I gilt. Die Strombelastung der beiden Stege 31, 32 sind daher gleich groß. Ebenso verhält es sich bei Ausführungsformen mit mehr als zwei Stegen 31, 32. Die Strombelastung verteilt sich dann gleichmäßig auf die Stege. Jedoch ist eine unsymmetrische Auslegung, bei der sich die Strombelastung entsprechend unterschiedlicher jeweiliger Widerstände auf die Stege verteilt, bei dieser wie auch bei allen anderen Aus-führungsformen ebenso denkbar.
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In 4 ist eine zweite Ausführungsform zu sehen, bei der alle zuvor beschriebenen Merkmale der ersten Ausführungsform hinsichtlich der ersten Befestigungseinrichtung 2 und des Widerstandselements 3 zutreffen. Die zweite Befestigungseinrichtung 4 ist hier jedoch in das Widerstandselement 3 integriert, bzw. im direkten Anschluss an den Mittelsteg 35 ausgebildet. Die zweite Befestigungseinrichtung 4 ist als eine wulstförmige Erweiterung an einem zweiten Ende des Widerstandselements 3 angegliedert. Der ohmsche Gesamtwiderstand der Batteriesensoreinheit 1 ist insgesamt aufgrund des kurzen Stromweges sehr gering. Gleiches gilt auch für die mechanische Hebelwirkung bei mechanischer Belastung, da die Batteriesensoreinheit 1 von der ersten Befestigungseinrichtung 2 zur zweiten Befesti-gungseinrichtung 4 und damit der mechanische Hebel sehr kurz ausfällt. Beispielsweise bei Biegebelastung durch Krafteinwirkung am Schraubbolzen 41 entsteht somit nur ein kleines Biegemoment.
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Eine dritte Ausführungsform ist in 5 gezeigt. Die Form des Widerstandselements 3 ist hier an einen näherungsweise dreieckförmigen Kraftfluss, dargestellt durch das Kraft-Dreieck 37 (gestrichelt dargestellt), angepasst. Die Stege 31, 32 verlaufen pfeilförmig gerade bzw. wie die Seiten eines Dreiecks und laufen in der Längsachse des Schraubbolzens 41 aufeinander zu. Der Mittelsteg 36 verläuft mittig zu den zwei Stegen 31, 32, ähnlich wie eine Symmetrieachse des Dreiecks 37. Der Querschnitt der Stege 31, 32 sowie des Mittelstegs sind hier unterschiedlich ausgebildet. Eine am Schraubbolzen 41 wirkende Kraft wird durch die Stege 31, 32 so übertragen, dass sie sich auf die ganze Breite der ersten Befestigungseinrichtung 2 verteilt. Weitere Merkmale dieser Ausführungsform sind mit bereits beschriebenen identisch und werden daher nicht wiederholt.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesensoreinheit
- 2
- erste Befestigungseinrichtung
- 21
- Klemmschraube
- 22
- Schenkel
- 3
- Widerstandselement
- 31, 32
- Stege
- 31a, 32a
- Strompfade
- 33a, 33b, 34a, 34b
- Messpunkte
- 35
- Mittelsteg
- 36
- Spalt
- 37
- Kraft-Dreieck
- 38
- erstes Anschlussstück
- 39
- zweites Anschlussstück
- 4
- zweite Befestigungseinrichtung
- 41
- Schraubbolzen
- 42
- Massesteg
- 5
- Gehäuse
- 6
- Unterstützungselement
- 7
- Parallelschaltung
